公共场所安全报警系统.doc
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皖西学院机械与电子工程学院微机原理课程设计
摘要：
本系统采用AT89C51作为控制器，选用温度传感器AD590、烟雾传感器UD-02、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用声光报警的方式，设计出可以应用于办公室、教室、家庭房屋等场所的简单实用的火灾探测报警器。
单片机巡回检测各房间，采集温度、红外辐射、烟雾；当以上任一项发生异常时系统判断具体是哪房间异常，并用数码管显示房间号，同时蜂鸣器发出鸣叫，报警一分钟后继续进行巡回检测。
关键字：
单片机AT89C51、AD590、UD-02、ST178P
一、引言
近年来，随着科学技术日新月异的发展，生产力水平达到了前所未有的高度。
城市现代化在这样的背景下发展速度越来越快，高层建筑异军突起。
由于高层建筑都有建筑高度高、建筑面积大、用电设备多、供电要求高等特点，这些都给高层建筑的防火问题提出了很高的要求。
而最近几年，我国因特大恶性火灾导致的多起群死群伤事件已引起有关部门的高度重视，高层宾馆、大型商场等人员集中地区的防火问题被提上日程。
在这些场所内，各种电气电子设备高度集中且处于长期运行状态，电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多。
一旦发生火灾将很难及时救助，势必要给国家和个人带来不可估量的损失。
火灾的发生和发展过程是一个复杂的物理化学过程，而且与环境的相关性很强。
一般情况下，一场火灾发生过程都伴随着烟、温、光等信号的产生。
基于不同环境及不同燃烧物成分的火灾的生成气成分、烟雾的粒径构成、温场分布及光谱均有不同，因此，火灾过程涉及多个物理和化学参数，而且特征性比较强，与一般的扰动有着本质的区别。
基于上述特性，早期火灾探测技术应运而生，尤其是各类传感器在火灾探测领域得到广泛采用，如温度传感器AD590、烟雾粒子传感器UD-02、有害气体传感器TGS-202、红外敏感元件ST178P以及采用物理参数复合的烟温复合探测器，采用不同波段光传感器复合的双波段火焰探测器等。
火灾自动报警器最初是以晶体管继电器为分立元件的产品，80年代末，90年代初随着微型计算机的开发应用，出现了以微机为核心的通用火灾报警器。
它的应用使人们对火灾的控制能力大大增强，使危害大大降低。
火灾报警器的主要心脏部件就是单片机，通过它接收来自火灾探测器的报警信号，经过确认后，发出声光报警，显示报警位置，并能发出控制信号启动消防设备，迅速灭火。
可见，从信号的接收处理到报警消防，完全实现了自动控制，单片机在其中起到了关键的作用。
本文结合单片机传感器技术，基于实用、广泛和典型的原则开发设计了这一公共场所安全报警系统。
二、系统原理及总体方案设计
火灾自动报警系统的设计主要涵盖以下五个方面：
单片机的选取、传感器的选取、装置设置、软件的设计。
火灾自动报警系统框图如下图所示。
在各个监测点安装有温度传感器、烟雾离子传感器、红外传感器，单片机通过对各监测点巡回检测，对传感器传出数据进行分析判断现场状况。
当监测点有火情的其中一种表现（烟雾、温度上升、红外辐射等），单片机接受到传感器变化超出阈值的数据，确定火情信息后，蜂鸣器报警、数码管显示房间号。
报警一分钟后，继续巡回检测。
温度探测0
火光探测0
烟雾探测0
单片机
AT89C51
温度探测1
火光探测1
烟雾探测1
显示房间号
蜂鸣器
0
1
19
三、系统硬件设计
该报警系统由AT89C51,温度传感器AD590、烟雾传感器UD-02、红外敏感元件ST178P作为火灾探测的敏感元件，采用数码管显示房间号，蜂鸣器报警。
3.1单片机控制中心
本设计是基于单片机的声光火灾报警器，单片机是其中的核心部件，它就像大脑一样，是设计中的枢纽。
1）89C51的简介
AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的8位单片机、片内带有4K字节的FLASH可编程，可擦除只读存储器（EPROM），它采用了COMS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术。
而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。
片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。
因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机、可方便应用在与本次设计相关的控制领域。
2）89C51外围接口电路
AT89C51单片机外围接口电路如下图所示，主要包括：
1.晶振电路：
内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（该设计选用12MHZ），外接两个谐振电容。
该电容的典型值为30pF,该设计选用33pF。
2.复位电路：
单片机复位采用按键高电平复位
3.直流电源
3.2信号采集处理模块
信号采集包括烟雾、温度、火光信号的采集，分别采用温度传感器AD590、烟雾粒子传感器UD-02、红外敏感元件ST178P。
每个房间的各传感器分别通过比较电路与对应的设置的初始值作比较，输出数字“1”或“0”信号，输出信号通过“或门”，若有一项指标超过设定值，或门输出“1”，则为有火情。
各房间“或门”输出端接至P1口及剩余P0口和P3口。
循环检测语句可通过对各口输入信号的检测，分析是否有火情，进而进行相应的处理。
信号采集处理电路如下图所示：
3.2.1烟雾信号采集模块
离子感烟传感器是应用放射性同位素组成的火灾报警专用传感器，其传感灵敏度高，可靠性好，目前已经得到广泛应用。
离子感烟传感器由两个电离室组成，外电离室与外界相通，烟雾可进入电离室，而内电离室是密封的，烟雾不能进入。
由于烟雾进入外电离室，使内外两电离室离子电流不同，传感器就输出与烟雾成正比的传感信号。
在正常工作状态下，放射源发出的射线电离了电离室的空气，便有电流从A经B流向C，这时电离室是一个典型的电阻元件。
初始条件下，在B点的电位Vb是相对稳定的，烟雾进入AB之间的检测室时，电离状态发生变化，导致AB之间的电阻阻值变化，而BC间组成的参照室因不感觉烟的存在，基本保持阻值初始状态不变，根据欧姆定律，在B点上分压值发生相应的变化，这一变化经过电路放大，做为火警信号输出，从而实现烟信号到电信号的转变。
在电极之间放有α放射源241镅，由于它持续不断地放射出α射线，α粒子以高速运动，撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子（电子），这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，实现这个过程的装置我们称它为电离室。
如果在极板P1和P2间加上一个电压E，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正负离子做有规则的运动。
正离子向负极运动，负离子向正极运动，从而形成了电离电流I。
施加的电压E愈高，则电离电流愈大。
当电离电流增加到一定值时，外加电压再增高，电离电流也会增加。
一般离子感烟探测器的电离室均设计成单极性的（单极性电离室是指电离室局部被α射线所照射，使一部分形成电离区，而未被a射线所照射的部分则为非电离区）。
因为当发生火灾时烟雾进入电离室后，可以得到较大的电压变化量，从而可以提高离子感烟探测器的灵敏度.在实际的离子感烟探测器设计中将两个单极性电离室串联起来，一个作为检测电离室，结构上做成烟雾容易进入的型式;另一个作为补偿电离室，做成烟粒子很难进入，而空气又能缓慢进入的结构型式.电离室采用串联的方式，是为了减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境使用能力和稳定性。
当外电离室进入燃烧生成物或者烟雾时，部分正离子和负离子被吸附到燃烧生成物和烟雾颗粒上，所以它们在电场中的速度就比原来要慢的多，并且在移动中还有部分正负离子中和，这样到达正负极板的离子数量想对减少，即离子电流变小。
烟雾数量越多，离子电流就越小。
而内电离室是封闭的，无烟尘离子进入，离子电流是恒定的。
内电离室与外电离室是串连的，如下图所示。
无烟雾时，A点电位约为1/2E。
若有烟雾，外电离室的离子电流减小，等效电阻增加，A点电位下降，其下降程度与烟雾数量成正比。
有烟雾和无烟雾时其电位差可达1V以上。
外电离室
内电离室
等效电阻
R1
R
+E
+E
A
A
U
本实验采用UD—02型离子感烟传感器。
UD—02型离子感烟传感器具有灵敏度高、可靠性好，性能符合标准等特点。
它有两个电子室及一个放射源（AM241）,对外有三个引出脚：
A电极（接电源正端+9V）、B电极（接地）、C电极（收集电极即输出端）。
3.2.2红外探测模块
1）LM339比较器的使用简介
由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
2）ST178的工作原理
本系统的红外检测模块采用单光束反射取样式光电传感器ST178，该传感器是由南平旭光电子科技有限公司开发生产的主要应用于物体运动方向及正反转转速、行程测量等。
其在本系统中的应用原理是，光电传感器接收孔探测到火焰辐射的较强烈的红外线时，接收管导通输出一定的电压，辐射越强烈，则3脚输出的电压也越大，应此把3脚接与比较器LM339，当辐射达到一定时比较器输出高电平，当在无红外辐射或辐射较少时，比较器输出底电平，并且ST178对人体辐射的红外线波长不敏感，对火焰辐射的红外线可灵敏检测，价格实惠，因此本系统采用该传感器作为红外敏感元件。
3.2.3温度采集模块
AD590是美国AnalogDevices公司生产的一种电流型二端传感器，电路如图所示。
由于AD590是电流型温度传感器，它的输出同绝对温度成正比，及1A∕K，，而数模转换芯片ADC0809的输入要求是电压量，所以在AD590的负极接出一个10千欧的电阻R1和一个100欧的可调电阻W，将电流量变为电压量送入ADC080。
通过调节可调电阻便可在输出端V获得与绝对温度成正比的电压量，即10mV∕K,温度0℃时输出为0，温度25℃时输出为2.982V。
这样便于A/D转换器采集数据。
AD590的应用电路如下图所示。
3.2.4信号处理电路
对于传感器输出的模拟信号，一般要用运算放大器对其进行调理或放大，以满足与阈值比较的要求。
信号放大电路图如下图所示，运算放大器接成电压放大电路。
从传感器采集过来的微弱电压信号，经过电压放大器的放大，得到较强的模拟电压信号。
3.3声光报警模块
数码显示选用共阳数码管，报警电路选用一片扬声器。
1）声音报警电路
由AT89C51的16脚实现声音报警控制。
当可燃性气体浓度或温度或光超过阈值时，将P3.6置为高电平，扬声器发出鸣叫报警。
其电路原理图如下图所示。
2）数码管显示电路
由P2口控制BS212共阳数码管，予以进行光报警并显示着火的房间号。
LED显示器中发光二极管有两种接法，分别是共阴极接法和共阳极接法。
本设计中选用的是BS212共阳数码管把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极。
使用时公共阳极接地，这样阴极端输入高电平的段发光二极管就导通点亮
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